Approfondimento: Gli astronauti testano la nuova imbracatura ginnica

Immaginiamo di voler utilizzare un tapis roulant. Niente di più facile! Basta salirvici, selezionare il programma di attività desiderato, ed iniziare a camminare o a correre ritmicamente all’opportuna velocità, magari ascoltando la propria musica preferita.

Nello spazio la cosa non è così semplice, come illustrato da una nota apparsa recentemente sul sito ufficiale del Glenn Research Center della NASA.

Per gli abitanti della Stazione Spaziale Internazionale, l’utilizzo del tapis roulant oltre ad essere di fondamentale importanza dal punto di vista medico-fisiologico, è anche più complicato di quello che si potrebbe pensare.
Gail Perusek, Manager for Exercise Physiology and Countermeasures Project presso il Glenn Research Center della NASA, ha spiegato sulle pagine di nasa.gov che: “Gli astronauti fanno esercizi fisici per vari motivi, e questo tipo di attività produce benefici sia psicologici che fisiologici andando a contrastare il decondizionamento fisico causato dalla lunga esposizione alla microgravità. Come si sa, nei voli spaziali a lunga durata, il corpo umano subisce una degradazione nel tessuto osseo paragonabile al fenomeno dell’osteoporosi, e sia l’apparato muscolare che quello cardiovascolare, se non opportunamente esercitati, perdono di efficienza con il tempo.”

Un po’ come in tutte le palestre qui sulla Terra, anche sull’ISS esiste una buona varietà di attrezzature ginniche, fra cui un resistance device, un ciclo-ergometro e due tapis roulant.
I due differenti tipi di tapis roulant presenti sull’ISS sono il Treadmill with Vibration Isolation System (TVIS) e il Combined Operational Load Bearing External Resistance Treadmill (COLBERT) appena installato. Essi sono differenti fra di loro, ma entrambi necessitano allo stesso modo di imbracature. Gli astronauti devono quindi logicamente utilizzare un’imbracatura elastica che mantenga essi uniti al tapis roulant durante l’esercizio, per ovviare alla microgravità. L’imbracatura evita loro di fluttuare via dall’attrezzo ed inoltre esercita un carico esterno sui loro corpi, al fine di simulare la gravità terrestre.

L’ imbracatura utilizzata sulla Stazione Spaziale fin’ora, ha alcuni inconvenienti. Non è comoda e ha una regolazione limitata. Durante il suo utilizzo, alcuni astronauti hanno riportato l’insorgenza di irritazioni cutanee e di dolori ai fianchi e alle spalle. Giocoforza, i membri dei vari equipaggi spesso si astengono dal caricare i propri fisici nelle modalità opportune per garantire il mantenimento dello stato di salute dei propri muscoli e delle proprie ossa. La logica che ha sempre guidato l’utilizzo delle imbracature è quella di arrivare ad applicare il maggior carico possibile (idealmente l’equivalente dell’effettivo peso dell’astronauta sulla Terra) per incrementare al meglio i benefici e ridurre i rischi per la salute.

“La perdita del tessuto osseo nello spazio avviene ad un tasso più rapido di quello che avviene sulla sulla Terra normalmente” ha proseguito Perusek. “Nello spazio gli astronauti non si sottopongono esattamente alla stessa quantità e qualità di carichi ripetitivi di quello che facciamo noi sulla Terra, e il calo della densità ossea occorre appunto, quando lo scheletro non è sollecitato.”

La necessità di una nuova imbracatura più comoda ed efficiente ha ispirato lo sviluppo di un nuovo dispositivo da parte dei tecnici del Glenn Research Center della NASA. Questo progetto, intrapreso in collaborazione con la Cleveland Clinic e finanziato dall’Human Research Program del Johnson Space Center della NASA di Houston, ha prodotto una nuova tipologia di imbracatura battezzata “The Glenn Harness”. Il team del Glenn Research Center ha anche sviluppato delle strumentazioni customizzate per la misura dei carichi sulle cinghie durante il loro utilizzo. Attualmente sulla Stazione Spaziale si stanno testando due Glenn Harnesses nell’ambito di uno studio chiamato Harness Station Development Test Objective, o Harness SDTO. Delle imbracature addizionali verranno presto testate sull’ISS da differenti membri dei vari equipaggi.

Sempre secondo il sito ufficiale dell’ente spaziale statunitense, i lavori che hanno portato alla Glenn Harness hanno avuto inizio quattro anni fa, quando i teams del Glenn Center della NASA, della ZIN Technologies di Middleburg Heights, Ohio, e della Cleveland Clinic iniziarono a lavorare sul progetto. Subito venne inteso che l’imbracatura doveva essere pensata più che altro come uno zaino il cui carico veniva distribuito fra le cinghie sulle spalle e la fascia attorno alla vita. Il team quindi si recò in Colorado per consultare i principali produttori di zaini, come l’Osprey e la Keltry. Di seguito , il gruppo di studio iniziò a progettare e creare dei prototipi della nuova imbracatura (i primi prototipi derivavano da zaini disassemblati e riadattati) dando infine inizio alla fase di testing.

“Al Glenn, abbiamo a disposizione un Enhanced Zero-Gravity Locomotion Simulator (eZLS) dove possiamo simulare l’esercizio sul tapis roulant con soggetti umani,” ha proseguito Perusek. “Abbiamo testato i prototipi con il nostro treadmill determinando, durante una comparazione in parallelo fra i due sistemi, che la nuova imbracatura era più confortevole di quella in uso e che era in grado di distribuire i carichi in maniera più bilanciata.”

Il team di ricercatori, fra l’altro, ha potuto godere anche degli input forniti dai membri dei vari equipaggi che si sono succeduti sull’ISS, e che hanno essi stessi pensato a delle migliorie per l’imbracatura utilizzata nelle sessioni con i treadmill. Per esempio, l’idea di impiegare tessuto antimicrobico (contenente ioni di argento) per le cinghie dell’imbracatura è venuta a seguito dell’osservazione di un astronauta riguardo all’ammontare di sudore accumulatosi via via su di esse, senza che si avesse avuta la possibilità di effettuarne il lavaggio.
Al termine del lavoro di ricerca, progettazione e di testing, il team ha lavorato con la Terrazign Inc. di Portland, Oregon, per creare l’imbracatura atta al volo. La flight harness è stata quindi spedita al Johnson Space Center nella primavera del 2009, dove è stata perfezionata con degli equipaggiamenti per la rilevazione dei carichi. La prima imbracatura è stata inviata in orbita nel Settembre del 2009.
Gli astronauti che partecipano a questo studio utilizzeranno e valuteranno la vecchia e la nuova imbracatura e compileranno dei questionari dopo ogni sessione di impiego per fornire dati qualitativi sul comfort. Il team ha anche ideato degli speciali sensori, denominati trasduttori di fibbia, che misureranno l’ammontare della tensione nelle varie cinghie e il carico esterno che ogni astronauta utilizza nel corso della propria attività fisica.
Gli spazionauti, una volta fatto ritorno sulla Terra, condivideranno le proprie sensazioni con la dott.ssa Perusek e con il suo team nel corso delle varie procedure di debriefing. Se il feedback sarà favorevole, la nuova imbracatura verrà incorporata nell’equipaggiamento ginnico standard degli abitanti dell’ISS.
La sperimentazione in volo durerà fino al Novembre 2010, con l’Expedition 24, e comprenderà i risultati forniti da sette membri dei vari equipaggi.

“Lavorare ad un progetto che ha il potenziale di influenzare positivamente e direttamente gli astronauti è molto gratificante. La maggior parte del nostro sforzo è andata in questa direzione, e speriamo che i vari equipaggi potranno trarne dei benefici, in futuro. Fino a quando avremo una presenza umana nello spazio, gli astronauti dovranno fare attività fisica a gravità zero, o a gravità parziale, come sulla Luna, ed avranno necessità di sistemi di imbracatura confortevoli.” Ha concluso la dott.ssa Perusek.

Nell’immagine allegata: The Glenn Harness (Image credit: NASA)


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Una curiosità…sarebbe possibile sfruttare i tapis roulant per produrre energia di cui è così bisognosa la ISS…visto che devono usarli costantemente ogni giorno…basterebbe una dinamo opportunamente tarata!
Oppure è troppo complicato e rischioso?

Credo che il tapis roulant consumi più energia di quella che possa produrre, il tappeto credo sia di quelli “motorizzati” e non quelli da spingere.

Grazie Albyz!
Immaginavo ci fosse un problema del genere

Articolo molto interessante!
Grazie Luca!

Mi ha lasciato però perplesso un “dettaglio” si fa per dire…
Il fatto che non sia stato previsto un ricambio o un espediente per evitare l’accumularsi di agenti microbici e biologici sulle cinghie degli imbrachi che potrebbero essere, a causa degli sfregamenti, la causa delle irritazioni cutanee.
Sarebbe bastato probabilmente un rivestimento asportabile e personale per ogni astronauta, per limitare il problema. Un po come per le cinture di sicurezza delle auto.
Per esperienza personale su imbrachi, indumenti e cinghie di zaini, posso dire che molti problemi sarebbero evitabili con una adeguata e personale registrazione delle cinghie. Cosa non facile, in quanto spesso si acquisisce con l’esperienza diretta.
Credo comunque che fintanto si utilizzerà questo metodo di allenamento, il problema di lividi ed abrasioni sarà da mettere sempre in conto.

domanda da un pivello :nerd:

ma una cyclette non dovrebbe essere più semplice da utilizzare in microgravità rispetto al tapis roulant?

Anche la cyclette fa parte della loro dotazione.
Ma credo non dia gli stessi carichi sull’ossatura in termini di simulazione di peso.
Più che altro serve per l’attività muscolare.

ah ok capito, grazie per la risposta :flushed:

E comunque i muscoli sollecitati dalla cyclette sono diversi da quelli sollecitati dal tapis roulant.
Tieni presente che sulla terra la gran parte dell’attività muscolare un uomo la fa per mantenersi in equilibrio. Quando sei in piedi fermo (o anche seduto) i muscoli lavorano continuamente per mantenere la posizione e battere la gravità. Questo tipo di attività muscolare, molto complessa e che coinvolge praticamente tutta la muscolatura umana, è ad oggi non riproducibile in orbita. Il fatto di differenziare il tipo di esercizi permette di sollecitare in maniera diversa diverse parti della muscolatura.

Editp per aggiungere che la differenziazione degli esercizi ha anche un impatto psicologico sulla crew. Nel suo debriefing post missione, Frank De Winne, ha spinto ESA per continuare e rendere operativo FlyWHeel, lo strumento ginnico che sta su Columbus, proprio perchè la crew si annoia a dover fare sempre gli stessi esercizi fisici (cyclette e tapis roulant).

Già che siamo in argomento, ma se esistesse una stazione orbitante o una navetta spaziale circolare come quella che si vede in “2001 Odissea nello Spazio” con tanto di gravità artificiale generata dal movimento rotatorio, sarebbe possibile effettuare una corsa in cerchio come si vede nel film o è pura fantasia? E da un punto di vista sempre teorico, il carico corporeo sarebbe sufficiente per evitare l’osteoporosi oppure no?
Ancora una domanda (questa più attinente): le cinghie mediamente quanto riescono a simulare la gravità terrestre in percentuale?

L anello di 2001 Odissea nello spazio e sicuramente realizzabile e funzionale teoricamente, il problema reale e il diametro! Non ricordo il valore ma ad una velocità accettabile dovrebbe essere enorme e quindi non trasportabile nello spazio ad oggi…

E dire che basterebbe montare qualche piastra di gravita, che noi usiamo da decenni oramai, e non ci sarebbero tutte ste complicazioni…

Lunga vita e prosperità…
Raffaele

Come detto da Luca, gli astronauti hanno lavorato sempre con carichi inferiori.
Prova ad immaginare di voler simulare il tuo peso durante l’esercizio al tapis roulant, ogni “bretella” elastica che forza eserciterebbe su ciascuna spalla?
Credo che dopo 1/2ora di tapis roulant avresti le spalle a pezzi ed il giorno dopo non saresti in grado di ripetere l’esercizio.

In effetti, nella progettazione della Glenn Harness gli ingegneri hanno voluto fare in modo che gli astronauti riuscissero a caricare più peso sulle bretelle senza subire gli effetti collaterali delle abrasioni cutanee e dei vari fastidiosi dolori in corrispondenza delle cinghie stesse.

Come già scritto da qualche parte, ricordo che l’accelerazione centripeta è pari alla velocità angolare al quadrato per il raggio. Per questo motivo, se il raggio non è abbastanza grande, la forza centrifuga sentita dalla testa sarebbe sensibilmente diversa da quella sentita dai piedi, il che creerebbe molti problemi. Di conseguenza, il raggio di una base del genere dovrebbe essere abbastanza grande da rendere trascurabile l’altezza di un uomo, il che rende una soluzione del genere fantascientifica per la tecnologia attuale. (Un raggio di 20 metri ancora darebbe una differenza del 10% tra la forza sentita dalla testa e quella sentita dai piedi)
In più, vanno considerate le forze di Coriolis, che sono propozionali alla velocità angolare e in direzione perpendicolare alla velocità in cui si muove il corpo soggetto alla forza (un astronauta ad esempio). La minimizzazione delle forze di Coriolis è un altro fattore che porterebbe ad aumentare il più possibile il raggio della centrifuga.

Avevo letto un paper qualche tempo fa (forse linkato da qualcuno qui sul forum?) a proposito di alcuni test fatti a terra, in cui si mostrava come incrementando il carico delle bretelle per gli esercizi sul tapis roulant, fossero riusciti a diminuire enormemente il calo di tessuto osseo dovuto all’assenza di gravità. Come dice Luca, queste nuove bretelle potrebbero aiutare in tal senso.

Grazie delle risposte e scusate la “pivellaggine” (specialmente riguardo l’astronave circolare di Odissea nello Spazio)

Credo che ricerche mediche recenti abbiano dimostrato che una gravità artificiale ottenuta per rotazione, alla lunga, possa dare fastidio (o danneggiare) l’apparato vestibolare ma può anche darsi che mi sbagli!

Credo che i problemi all’apparato vestibolare siano dovuti proprio al gradiente di accelerazione lungo il corpo e alle forze di Coriolis, che sono i due fattori che rendono il sistema di forze ottenuto con la centrifuga diverso dal campo gravitazionale (che pure ha un gradiente proporzionale al raggio, ma parte da un raggio terrestre di 6000 km…).

Per questo motivo, credo che aumentando a dismisura il raggio in modo da rendere trascurabili questi due fattori, si possa ottenere un sistema che non dia fastidio al corpo umano.

Il problema, dal punto di vista tecnico, è quello di aumentare a dismisura il raggio!

Per il resto, penso, anch’io, che il gradiente di accelerazione proporzionale al raggio sia la fonte, principale, di fastidio per l’apparato vestibolare umano!

ciao Luca, io sono una studentessa di scienze motorie che sta facendo la tesi sull’adattamento fisico e fisiologico degli astronauti, ovviamente il mio lavoro si concentra in particolar modo sugli esercizi fisici che fanno prima, durante e dopo i voli. Ho letto il tuo articolo sui tapis roulant e mi chiedevo se tu riusciresti a darmi più informazioni sulla preparazione atletica che affrontano…per intenderci: penso che abbiano un preparatore che gli farà una scheda di allenamento, gli farà fare esercizi specifici…boh!mi aiuti?

Ciao Moonboot, e benvenuta nel forum!

Per quel che riguarda gli esercizi a bordo, come scrivevo sopra, hanno dei tapis roulant, una cyclette e altri attrezzi per fare esercizi isometrici. Credo abbiano anche attrezzi per esercitare la presa con la mano.
Gli esercizi non sono tutt’ora obbligatori. Nella pianificazione della giornata lavorativa sono previste 2,5 ore di esercizi fisici per ogni astronauta, ma queste ore sono parte dell’off-duty time. In sostanza quindi l’astronauta è libero di scegliere se farli o meno.